(2025年)合成氨工藝考試(有答案)一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共30分）1.合成氨工業(yè)中，原料氣制備的核心反應(yīng)是（）A.煤的干餾B.烴類水蒸氣轉(zhuǎn)化C.石油裂解D.電解水制氫2.合成氨反應(yīng)的最佳操作壓力范圍通常為（）A.1-5MPaB.10-30MPaC.50-80MPaD.100MPa以上3.下列哪項(xiàng)不是合成氨原料氣凈化的主要目的（）A.去除硫、磷等催化劑毒物B.調(diào)整氫氮比C.降低氣體濕度D.脫除二氧化碳4.鐵基合成氨催化劑的主要活性成分是（）A.Fe?O?B.α-FeC.Fe?O?D.FeO5.變換反應(yīng)（CO+H?O→CO?+H?）的最佳溫度控制依據(jù)是（）A.熱力學(xué)平衡B.催化劑活性溫度C.氣體流量D.設(shè)備材質(zhì)6.低溫甲醇洗法脫碳的優(yōu)勢(shì)在于（）A.操作溫度高B.溶劑再生能耗低C.對(duì)H?S無吸收能力D.適用于低濃度CO?7.合成氨工序中，氨分離的主要方法是（）A.水洗吸收B.活性炭吸附C.冷凝分離D.膜分離8.下列哪項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致合成氨催化劑永久性中毒（）A.短暫超溫B.少量水蒸氣C.硫化氫氣體D.二氧化碳9.氫氮比（H?/N?）對(duì)合成氨反應(yīng)的影響規(guī)律是（）A.比值越大，平衡氨含量越高B.比值越小，反應(yīng)速率越快C.理論最佳比值為3:1D.實(shí)際操作中無需嚴(yán)格控制10.合成塔內(nèi)件的主要作用是（）A.增加氣體流速B.均勻分布?xì)怏w并控制反應(yīng)溫度C.提高壓力D.儲(chǔ)存催化劑11.下列哪種原料制備合成氣的碳轉(zhuǎn)化率最高（）A.無煙煤B.天然氣C.重油D.焦炭12.氨合成反應(yīng)的熱效應(yīng)屬于（）A.強(qiáng)吸熱B.弱吸熱C.弱放熱D.強(qiáng)放熱13.凈化工序中，甲烷化法脫除少量CO的反應(yīng)條件是（）A.高溫高壓B.低溫低壓C.高溫低壓D.低溫高壓14.合成氨系統(tǒng)中，馳放氣的主要成分是（）A.NH?、H?OB.H?、N?、CH?C.CO、CO?D.O?、Ar15.下列哪項(xiàng)不是合成氨工藝節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)（）A.余熱回收B.提高單程轉(zhuǎn)化率C.降低氫氮比D.優(yōu)化催化劑性能二、填空題（每空1分，共20分）1.合成氨原料氣的“三氣”通常指________、________和________。2.鐵基催化劑的助催化劑主要包括________（寫兩種）。3.原料氣脫硫分為________和________，其中________可脫除有機(jī)硫。4.變換工序中，高變催化劑以________為活性組分，低變催化劑以________為活性組分。5.合成氨反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)隨溫度升高而________（填“增大”或“減小”），因此低溫有利于________（填“正向”或“逆向”）反應(yīng)。6.氨合成塔按結(jié)構(gòu)可分為________、________和________三種類型。7.凈化系統(tǒng)中，脫碳方法除低溫甲醇洗外，還有________和________（寫兩種）。8.合成氨系統(tǒng)的循環(huán)氣中，惰性氣體（如Ar、CH?）的含量通?？刂圃赺_______（體積分?jǐn)?shù)），過高會(huì)________。三、簡(jiǎn)答題（每題6分，共30分）1.簡(jiǎn)述天然氣水蒸氣轉(zhuǎn)化法制合成氣的主要步驟及關(guān)鍵反應(yīng)。2.說明銅氨液洗滌法（銅洗）與甲烷化法在脫除微量CO時(shí)的區(qū)別（從原理、適用場(chǎng)景、產(chǎn)物影響三方面分析）。3.分析合成氨反應(yīng)中，壓力升高對(duì)反應(yīng)速率和平衡氨含量的影響，并解釋工業(yè)中不采用過高壓力的原因。4.催化劑床層溫度波動(dòng)對(duì)合成氨生產(chǎn)的影響有哪些？如何控制床層溫度穩(wěn)定？5.列舉三種合成氨工藝中常見的安全風(fēng)險(xiǎn)，并說明對(duì)應(yīng)的預(yù)防措施。四、計(jì)算題（每題10分，共20分）1.某合成氨廠采用天然氣轉(zhuǎn)化法制備原料氣，已知轉(zhuǎn)化爐入口天然氣組成為（體積%）：CH?95%、C?H?3%、N?2%，出口氣體中CH?含量為3%（干基）。假設(shè)所有烴類完全轉(zhuǎn)化為CO和H?，忽略水蒸氣分解，計(jì)算每1000m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）天然氣轉(zhuǎn)化后提供的干基氣體總體積（保留兩位小數(shù)）。（反應(yīng)式：CH?+H?O→CO+3H?；C?H?+2H?O→2CO+5H?）2.合成塔入口氣體組成為（體積%）：H?68%、N?22%、NH?5%、CH?5%。已知反應(yīng)后出口氣體中NH?含量為18%，假設(shè)反應(yīng)前后總壓不變，計(jì)算該合成塔的氨合成轉(zhuǎn)化率（以N?的轉(zhuǎn)化率表示）。（提示：轉(zhuǎn)化率=（反應(yīng)的N?量/入口N?量）×100%）五、論述題（共20分）結(jié)合當(dāng)前合成氨工藝的發(fā)展趨勢(shì)，論述如何通過技術(shù)優(yōu)化降低能耗和碳排放。要求從催化劑改進(jìn)、能量回收、原料多元化、工藝集成四個(gè)方面展開，不少于300字。答案一、單項(xiàng)選擇題1.B2.B3.C4.B5.B6.B7.C8.C9.C10.B11.B12.D13.A14.B15.C二、填空題1.半水煤氣；焦?fàn)t煤氣；天然氣2.Al?O?、K?O（或CaO、MgO等）3.干法脫硫；濕法脫硫；干法脫硫4.Fe?O?；CuO5.減小；正向6.軸向塔；徑向塔；軸徑向塔7.熱鉀堿法；變壓吸附法（或MDEA法）8.10%-15%；降低有效氣體分壓，增加壓縮能耗三、簡(jiǎn)答題1.主要步驟：①天然氣預(yù)處理（脫硫）；②預(yù)熱后進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐，與水蒸氣在催化劑（鎳基）作用下發(fā)生轉(zhuǎn)化反應(yīng)；③高溫轉(zhuǎn)化氣經(jīng)廢熱鍋爐回收熱量。關(guān)鍵反應(yīng)：CH?+H?O?CO+3H?（主反應(yīng)），CO+H?O?CO?+H?（變換反應(yīng)），部分CH?可能發(fā)生深度轉(zhuǎn)化2CH?+3H?O?CO+CO?+7H?。2.原理：銅洗利用銅氨絡(luò)離子（[Cu(NH?)?]?）與CO形成絡(luò)合物（[Cu(NH?)?CO]?）吸收CO；甲烷化法利用CO+3H?→CH?+H?O反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)化為CH?。適用場(chǎng)景：銅洗適用于CO含量較高（0.1%-0.5%）的精細(xì)脫除；甲烷化法適用于CO含量極低（<0.1%）的深度凈化。產(chǎn)物影響：銅洗不產(chǎn)生新雜質(zhì)；甲烷化法提供CH?（惰性氣體），需后續(xù)馳放處理。3.壓力升高時(shí)，反應(yīng)速率（與分壓成正比）加快，平衡氨含量（隨壓力升高而增加）提高。但工業(yè)中不采用過高壓力的原因：①設(shè)備投資和操作成本大幅增加（高壓設(shè)備材質(zhì)要求高）；②壓縮機(jī)能耗隨壓力升高呈指數(shù)增長(zhǎng)；③催化劑在高壓下易失活（如燒結(jié)）；④安全風(fēng)險(xiǎn)增大（高壓泄漏后果嚴(yán)重）。4.影響：①溫度過高會(huì)導(dǎo)致催化劑燒結(jié)失活，降低壽命；②溫度過低會(huì)使反應(yīng)速率下降，氨產(chǎn)量減少；③波動(dòng)過大可能引發(fā)床層“飛溫”或“熄火”，破壞系統(tǒng)穩(wěn)定。控制措施：①調(diào)節(jié)冷激氣流量（軸向塔）或副線氣體流量（徑向塔）；②優(yōu)化循環(huán)氣流量和組成（如控制惰性氣體含量）；③監(jiān)測(cè)催化劑活性，及時(shí)調(diào)整操作溫度；④利用廢熱鍋爐移熱，維持熱平衡。5.安全風(fēng)險(xiǎn)及措施：①合成塔超壓：設(shè)置安全閥、壓力傳感器連鎖停車；②氫氣泄漏引發(fā)爆炸：使用防爆電器，定期檢測(cè)管道密封性；③液氨泄漏中毒：設(shè)置氨濃度報(bào)警器，配備應(yīng)急噴淋裝置；④催化劑床層飛溫：安裝多點(diǎn)溫度監(jiān)測(cè)，控制入塔氣體溫度和流量。四、計(jì)算題1.解：入口天然氣中CH?為950m3，C?H?為30m3，N?為20m3（干基）。CH?轉(zhuǎn)化反應(yīng)：CH?+H?O→CO+3H?，每1m3CH?提供1m3CO和3m3H?，消耗1m3H?O。C?H?轉(zhuǎn)化反應(yīng)：C?H?+2H?O→2CO+5H?，每1m3C?H?提供2m3CO和5m3H?，消耗2m3H?O。轉(zhuǎn)化后剩余CH?為3%（干基），設(shè)干基總體積為V，則剩余CH?=0.03V。轉(zhuǎn)化的CH?=950-0.03V，轉(zhuǎn)化的C?H?=30m3（完全轉(zhuǎn)化）。提供的CO量=(950-0.03V)×1+30×2=950-0.03V+60=1010-0.03V提供的H?量=(950-0.03V)×3+30×5=2850-0.09V+150=3000-0.09VN?量=20m3（不反應(yīng)）干基總體積V=CO+H?+N?+剩余CH?=(1010-0.03V)+(3000-0.09V)+20+0.03V=4030-0.09V解得：V+0.09V=4030→V=4030/1.09≈3697.25m3答：干基氣體總體積約為3697.25m3。2.解：設(shè)入口氣體總量為100mol，則H?=68mol，N?=22mol，NH?=5mol，CH?=5mol。反應(yīng)式：N?+3H?→2NH?，設(shè)反應(yīng)的N?為xmol，則消耗H?=3xmol，提供NH?=2xmol。出口氣體中各組分：H?=68-3x，N?=22-x，NH?=5+2x，CH?=5（惰性氣體）。出口總物質(zhì)的量=(68-3x)+(22-x)+(5+2x)+5=100-2x根據(jù)出口NH?含量18%，有：(5+2x)/(100-2x)=0.18解得：5+2x=18-0.36x→2.36x=13→x≈5.508molN?轉(zhuǎn)化率=(x/22)×100%≈(5.508/22)×100%≈25.04%答：氨合成轉(zhuǎn)化率約為25.04%。五、論述題當(dāng)前合成氨工藝面臨能耗高（占全球能源消耗1%-2%）、碳排放大（占全球CO?排放1.5%）的挑戰(zhàn)，技術(shù)優(yōu)化需從多維度入手：1.催化劑改進(jìn)：傳統(tǒng)鐵基催化劑需高溫高壓（400-500℃，15-30MPa），而新型釕基催化劑（以活性炭或氮化硼為載體）活性更高，可在低壓（10-15MPa）、低溫（350-400℃）下運(yùn)行，降低壓縮和加熱能耗。此外，開發(fā)雙金屬（如Fe-Ru）或納米結(jié)構(gòu)催化劑，可進(jìn)一步提高活性和抗毒能力。2.能量回收：合成氨過程中產(chǎn)生大量余熱（如轉(zhuǎn)化爐出口高溫氣體、合成塔反應(yīng)熱），通過增設(shè)廢熱鍋爐回收熱量，可副產(chǎn)高壓蒸汽（用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)或發(fā)電），降低外部能源需求。例如，采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)（GTCC），將轉(zhuǎn)化爐尾氣用于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，效率提升10%-15%。3.原料多元化：減少對(duì)化石燃料（如天然氣、煤）的依賴，發(fā)展綠氫（電解水制氫，電力來自風(fēng)電、光伏）與綠氮（空氣分離）結(jié)合的“綠氨”工藝，從源頭消除碳排放。此外，利用工業(yè)副產(chǎn)氫（如煉廠尾氣、焦?fàn)t煤氣）替代部分化石氫，可降低原料成本